数控系统参数消除振荡及提高位置精度的方法

刘瑞已

（湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208）

在半闭环控制的机床中，参数设定比较简单，只要将电动机的代号和功能位设定好，系统即可将NC系统、数字伺服、电动机和机床合理匹配。所以经过初始化设定后，机床一般即可以平稳可靠运行。但为了提高数控机床的加工精度，全闭环控制在越来越多的机床上得到应用。但是在全闭环控制后，因为机床结构不同，安装时会出现各种问题，都会影响全闭环控制过程的平稳性和快速响应，最终影响全闭环控制的精度。

1 半闭环时消除振荡的对策

半闭环时消除振荡的方法：首先分清振荡的大概频率，如果是断续的、有规律的低速振荡，我们称之为低频振荡；而较异常、频率在100～400 Hz时称为高频振荡。对于低频振荡，FANUC Oi系列数控系统可采取如下措施：

（1）减小位置环增益。参数为P1825，标准值设定为3 000，作适当减小，振荡一般均可消除。

（2）降低负载惯量比。参数为P2021，一般设定在≤70%，稍有起振为宜。

（3）加入比例积分（PI）控制。参数P2003#3，设定为1，使PI控制使能。

（4）适当增大速度积分增益。参数P2043，该值在初始化时已经生成标准值，如果该值较小时，响应较差，因此需要先把（2）中所述的负载惯量比返回初始值后，再将此参数适当增大。

对于半闭环可能产生的高频振荡，则有以下几种对策：

（1）使用250μs加速反馈功能。此功能是对速度环反馈的一种补偿功能。由于机床的传动环节导致弹性变形，或是负载的惯量折合到电动机轴上后与电动机的转子惯量相比较大时，就会产生50～150 Hz的振荡。使用此功能补偿加速时的反馈，使响应加快，消除振荡。该参数为P2066，一般设定在 —10～—20之间，如在加减速时有振荡，可适当减小此参数值。需要注意，此值太大，可能引起不正常振荡。

（2）加入转矩指令滤波器功能。该功能是一低通滤波环节，对于100 Hz以上的转矩指令有抑制作用，因此可以消除高频振荡。参数为P2067，这是一个与截止频率有关的量值，范围为1 166（200 Hz）～2 327（90 Hz）。例如当确定100 Hz为振荡截止频率时，其相应的设定值为2185。

（3）加入观测器功能。如果加入转矩指令滤波器不起作用，可能是振荡频率在数百赫兹以上，这时可加入观测器功能。此功能实际上是对速度指令中的高频成分进行分离，并加以抑制。设定参数如下：

参数P2003#2（OBEN），此位参数设为1，观测器功能有效；

参数P2047，设定观测器检测系数POA1，设定值按标准设定（初始化设定）；

参数P2050，设定观测器检测系数POKl，设定值按标准设定（初始化设定）；

参数P2051，设定观测器检测系数POK2，设定值按标准设定（初始化设定）。

以上是最基本的抑制方法，可在不同的机床上试验应用。但因为机床的结构和配置差别较大，振荡产生的原因也不尽相同，所以不可一概而论。

2 全闭环时消除振荡的方法

在全闭环控制过程中产生不同程度的振荡，其消除对策可按以下步骤进行。

（1）减小位置环增益。参数为P1825，设定时在标准设定值的基础上适当减小并观察。一般情况下，先用此法，如不见效，再采取以下对策。

（2）设定反向间隙和螺距误差补偿的误差计数形式。参数P2010#4（HBPE，螺距附加到误差计数器）的设定值为0（选择螺补附加到全闭环形式的误差计数器中，作为标准设定），参数P2010#5（HBBL，反向间隙补偿时附加到误差计数器）的设定值为0（选择反向间隙补偿值附加到全闭环形式的误差计数器中，作为标准设定）。

（3）采用双位置反馈功能。如果机床在半闭环时是平稳的，而在全闭环时有振荡可用此功能。机床在安装时可能会有反向间隙存在，如果间隙较大，而机械无法消除时，就会成为全闭环振荡的主要原因。采用该功能最主要就是调整一阶时间常数，使之在过渡过程中位置误差按半闭环控制，而在停止时按全闭环控制。设定参数主要有P2078（双环反馈折合系数的分子）、P2079（双环反馈折合系数的分母）、P2080（双环反馈一阶延时时间常数）和P2081（双环反馈的零点幅度）。参数P2080的设定范围为10～300 ms，正常情况下设定为100 ms，如果在加减速期间有振荡，可每次增加50 ms试之，如已消除，可在该基础上减少20 ms。在此需注意的是，联动轴需要设定同样的数据。P2081（双环反馈的零点幅度）一般先设定为0，如有振荡，可稍微增大，单位为μm。

（4）用机械速度反馈功能。一般在加入全闭环后，对于机械传动链较长的坐标，如加工中心转台（具有齿轮减速和蜗轮蜗杆传动），不可避免地在电动机和转台之间形成了弹性环节，这也是产生振动的原因之一。如果在电动机和转台之间形成了弹性环节，则全闭环位置反馈响应要慢一些，而速度反馈是直接取自电动机上的编码器，这时会产生振荡。如加入机械速度反馈环节，可以使急需速度滞后的情况得到补偿，从而消除振动。当参数P2012#1（MSPE）设定为1时，该功能有效；参数P2088（机械速度反馈增益）的标准设定为30（设定范围30～100）。

以上是全闭环控制时消除振荡的一些基本对策，在实际工作中要认真观察振荡的现象，结合机床的结构和配置情况，分析振荡的根源，找出合理有效的方法，均能获得满意的效果。

3 全闭环时提高位置精度的方法

（1）反向间隙的补偿。首先要求机械安装完成后的反向间隙必须保证在一定范围内。因为反向间隙在不同速度下切换方向时的数值不同，所以FANUC 0i将进给和快速时的反向间隙分开进行补偿，传统习惯上只是设定前者，这是不可取的。参数P1851（各轴进给时的反向间隙补偿值），按切削进给（一般取500～1 000 mm/min）时检测的反向间隙值设定（用激光干涉仪进行测量）；参数P1852（各轴快速时的反向间隙补偿值），按快速 （例如10 000 mm/min）时检测的反向间隙值设定（用激光干涉仪进行测量）；参数P1800#4（RBK）设定为1，则切削和快速的反向间隙可以分别生效。

（2）螺距误差的补偿。FANUC 0i系统对每轴都可设置多达128点的螺距误差补偿点数。为了提高精度，建议用5 mm或10 mm的间隙进行补偿，效果更好。

（3）补偿计数器的设定。全闭环控制时，通常按如下设定：参数P2010#5（HBBL，反向间隙补偿值加到误差计数器中）设定为0；参数P2010#4（HBPE，螺距误差补偿值加到误差计数器中）设定为0。

（4）在无振荡的前提下，尽量提高位置环增益P1825，速度环增益P2043、P2045及负载惯量比P2021等参数。

通过以上几个步骤的调试，一般都能获得很好的定位精度。

4 如何提高插补的轮廓精度

插补的形式、参与插补轴的响应差异及各轴的反向间隙等因素都影响轮廓的定位精度。最常见的是，在用圆弧插补切圆时，通常发生偏心圆、凹凸圆、错位圆等现象。主要对策如下：

（1）参与插补的各轴的位置环增益要设定一致

插补是一个脉冲分配过程，如果参与插补的轴响应快慢不同，势必造成轨迹偏移现象，因此该值首先要设定一致。在参与插补各轴不振荡的前提下，参数1825的设定值尽可能提高，而且必须一致。

（2）使用反向间隙加速功能

反向间隙的存在是影响换向点轮廓精度的最主要因素。因此FANUC 0i系统针对性地提出两种解决方案。

一种是常规反向间隙加速功能。用此功能一般步骤如下：①设定反向间隙补偿值参数P1851（间隙补偿值）的设置总为正值，在半闭环有效；如果是全闭环，可将P1851设为1，把参数P2006#0设定为1，即在全闭环中，反向间隙设定值不起作用。②使用反向间隙加速功能参数P2003#5设定为1，使能反向间隙加速功能。参数P2048（反向间隙加速范围值）的典型设定为600。参数P2071（反向间隙加速有效周期）通常设定为50～100。③如果过切，可加入反向间隙加速停止功能。参数P2009#7设定为1，使能反向间隙加速停止功能。参数P2082（反向间隙加速停止时间）的典型设定为5。

另一种是采用新反向间隙加速功能。即为适应不同速度的切削条件，以指数形式加入反向间隙加速，效果更好。具体步骤如下：①设定反向间隙补偿。②使能新反向间隙加速功能，在常规新反向间隙加速功能的基础上，设置参数P2009#2为1，即新反向间隙加速功能有效。

（3）加入静摩擦补偿功能

当机床由停止状态转为激活运动时，由于静摩擦，机械运动必然滞后。设置参数包括：参数P2005#7，设定为1，静摩擦补偿功能有效。参数P2072（静摩擦补偿量），通常设置为100，当克服静摩擦运行启动后，此补偿要取消。故还需设置如下参数：①参数P2009#7，设置为1，可以取消静摩擦补偿功能。②参数P2073（静摩擦补偿取消时间），设定值为8 ms的倍数。③参数P2097（静摩擦补偿停止参数），通常设置为55。

（4）加入前馈功能

前馈功能是对伺服系统运算滞后的一种补偿功能。设置参数包括：参数P2005#1设置为1，使前馈功能有效；参数P2068（前馈系数），典型设置值为70；参数P2067（速度前馈系数），典型设置值为50。设置好以上参数，断电并重新上电，如有超调，可以适当降低前馈系数；如无超调，可逆向调整之。

（5）加入超前前馈功能

使用该功能时，应在前馈功能设置参数的基础上再设置如下参数：参数P2092（超前前馈系数），通常设置为9850。另外需要说明的是，前馈功能可在零件加工程序中用G08P1（或G08P0）设定（或取消）。

需要说明的是，在全闭环控制时，提高精度和克服振荡有时会相辅相成，有时也会发生矛盾，所以在调试过程中要多观察现象，综合分析，抓住主要矛盾，不可墨守成规。另外FANUC 0MC、15、16、18、20、21等产品均有相同和类似功能，只是参数号各不相同。

5 结语

随着社会的进步，数控机床的应用越来越需要全闭环系统，而全闭环系统的不稳定性而导致的振荡是最难解决的问题之一。本文详细的介绍了消除振荡的对策以及进一步提高位置精度的方法，希望能给数控机床使用者带来一定的方便。但是消除系统振荡和提高位置精度除了从参数角度进行改良外还有一些其他方法，譬如从机械角度出发，提高机械零部件的制造精度和安装精度以及其结构的合理性等多个方面都对消除振荡和提高位置精度有好处，在使用中要根据实际情况从多方面入手，以保证我们的数控机床能具备良好的加工性能和加工精度。

[1]牛志斌.数控车床故障诊断与维修技巧[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]陈宇晓.数控铣床故障诊断与维修技巧[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]刘希金，等.数控机床故障检测与维修问答[M].北京：机械工业出版社，2003.